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用PIC單片機實現的IC卡讀寫器
摘要：詳細介紹PIC單片機使用SPI方式與IC卡進行數據傳輸的原理和電路設計，以及使用USART方式與PC機進行串行異步通信的工作原理；介紹PIC單片機聽SPI方式和USART方式的設置方法。關鍵詞：PIC單片機IC卡讀寫器SPI方式USART方式
引言
本設計的主要目的是介紹IC卡的數據存儲技術和IC卡的數據通信，因而使用存儲器卡。由于本設計中既可與IC卡進行串行同步通信，又要與上位機進行中行異步通信，因而需要選擇一種同時具有這兩種通信方式的單片機。因為PIC16F877不僅具有本設計所需要的兩種通信方式，而且還具有運行速度快、低功耗、價格低等優點，所以選擇PIC16F877單片機作為本設計的單片機。
圖1是本設計的電路圖，圖中電源變換電路和發光二極管等指示電路沒有畫出。圖中的二極管電路是單片機與IC卡通信數據線的保護電路。當數據線上的電壓為負電壓時，與地相連的二極管導通；當數據線上的電壓大于+5V時，與+5V相連的二極管導通，從而保證數據線上的電壓在0V～+5V之間，保護單片機和IC卡不受損壞。圖中單片機的15腳和23腳分別與IC卡的輸出引腳3和4相連。由于IC卡的輸出電壓為CMOS電平，而單片機能夠正確的識別IC卡的輸出信號，需要加上拉電阻。
1SPI工作方式
串行外圍設備接口SPI（SerialPeripheralInterface）總線技術是Motrola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件能力很強，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其它事務，因此得到廣泛應用。
SPI模式允許8位數據同步發送和接收，支持SPI的所有四種方式。SPI模式傳輸數據需要四根信號線：串行數據輸出（SDO）線、串行數據輸入（SDI）線、串行時鐘（SCK）和從選擇（SS）。其中，從選擇線只用于從屬模式。
1.1SPI主模式
由于控制時鐘SCK的輸出，主模式可以在任何時候開始傳輸數據。主模式通過軟件協議控制從模式的數據輸出。
在主模式中，一旦SSPUF寄存器寫入，數據就會發送或接收。在接收數據時，SSPSR寄存器按照時鐘速率移位，一旦接收到一個字節，數據就傳輸到SSPBUF，同時中斷標志位和狀態標志位置位。
時鐘的極性可以通過編程改變。在主模式中，時鐘SCK的頻率可以設置為：fosc/4(即Tcy)、fosc/16(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定時器2（Timer2）輸出的二分頻等四種。在芯片時鐘為20MHz時，SCK的最大頻率為5.0MHz。
在本設計中，使用的就是SPI主模式，由單片機控制時鐘SCK的輸出。當向IC卡中寫數據時，隨時可以發送數據；當讀IC卡內的數據時，先要發送任意一個數據（此時IC卡不處于寫入狀態，不會接收該數據），給IC卡提供輸出數據的時鐘，然后再接收IC卡發出的數據。其時序如圖2所示。（發送和接惦的數據均為6FH）
如果要連續發送數據，那么每次將數據送到SSPBUF寄存器后，都要判斷是否已經發送完該數據，即判斷PIR1寄存器的SSPIF位是否為1。如果SSPIF位為1，則表明數據已經發送完畢，可以繼續發送下一個數據。但此時還不能立即發送下一個數據，因為SSPIF位必須在程序中由軟件清零，只有將SSPIF位軟件清零后，才能繼續發送下一個數據。
1.2SPI從模式
在SPI從模式，數據的發送和接收領先SCK引腳上輸入的外時鐘脈沖，當最后一位被鎖存后，中斷標志位SSPIF（PIR1的D3）位。在休眠模式，從模式仍可發送和接收數據，一旦接收到數據，芯片就從休眠中喚醒。如果采用SS控制的從模式，當SS引腳接到VDD時，SPI模式復位；如果彩CKE=1控制的從模式，必須開放SS引腳控制。
在本設計中，由于IC卡是存儲器卡，不能提供時鐘信號，因此不能采用從模式，只能采用主模式，由單片機控制時鐘信號。
單片機的SPI方式初始化程序如下：
MOVLW20H；將20H送到累加器
MOVWFSSPCON；將累加器中的數送到SSPCON寄存器
BSFSTATUS，RP0
��；將定RAM區的第1頁
BCFSSPSTAT，SMP；將SSPSTAT寄存器的SMP位置0
BSFSSPSTAT，CKE；將SSPSTAT寄存器的CLK位置1
BCFTRISC，3；將端口C的第3位設置為輸出
BCFTRISC，5；將端口C的第5位設置為輸出
其中，上述第1、2行程序是配置控制寄存器，將SPI方式配置為主控模式，時鐘頻率為單片機時鐘頻率的1/4，并將時鐘的高電平設置為空閑狀態。第3行程序為換頁指令，將指針轉到第1頁。因為PIC16F877單片機的數據存儲器是分頁的，而所要操作的寄存器在第1頁，因此要用換頁指令將指針到第1頁。第4、5行程序是配置狀態寄存器，將SPI方式設置為數據輸出時鐘的中間采樣，時鐘SCK的上升沿觸發。第6、7行程序則是將RC口的RC3和RC5設置為輸出。
2USART方式
通用同步異步接收發送模塊（USART）是兩個串行通信接口之一，USART又稱為SCI（SerialCommunicationInterface）。USART可以設置為全雙工異步串行通信系統，這種方式可以與個人計算機PC或串行接口CRT等外圍設備進行串行通信：也可以設置為半雙工異步串行通信系統，與串行接口的A/D或D/A集成電路、串行EEPROM等器件連接。USART是二線制串行通信接口，它可以被定義如下三種工作方式：全雙工異步方式、半雙工同步主控方式、半雙工同步從動方式。
為了把RC6和RC7分別設置成串行通信接口的發送/時鐘（TX/CK）線和接收/數據（TX/DT）線，必須首先把SPEN位（TCSTAT的RD7）和方向寄存器TRISC的D7：D6置1。
USART功能模塊含有兩個8位可讀/寫的狀態/控制寄存器，它們是發送狀態/控制寄存器TXSTA和接收狀態/控制寄存器TCSTA。
USART帶有一個8位波特率發生器BRG（BaudRatoGenerator），這個BRG支持USART的同步和異步工作方式。用SPBRG寄存器控制一個獨立的8位定時器的周期。在異步方式下，發送狀態/控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用來控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。
向波特率寄存器SPBRG寫入一個新的初值時，都會使BRG定時器復位清零，由此可以保證BRG不需要等到定時器溢出后就可以輸出新的波特率。
對USART方式進行初始化的程序如下：
BSFSTATUS，RP0；將指針指向數據存儲器的第1頁
MOVLW0x19
MOVWFSPBRG；設置波特率為9600
BCFSTATUS，RP0；將指針指向數據存儲器的第0頁
CLRFRCSTA；將接收控制和狀態寄存器清零
BSFRCSTA，SPEN；串口允許
CLRFPIR1；清除中斷標志
BSFSTATUS，RP0；將指針指向數據存儲器的第1頁
CLRFTXSTA；將發送控制和狀態寄存器清零
BSFTXSTA，BRGH；設置為異步、高速波特率
BSFTXSTA，TXEN；允許發送
BCFSTATUS，RP0；將指針指向數據存儲器的第0頁
BSFRCSTA，CREN；允許接收
初始化完成后，即可發送或接收數據。在發送或接收數據時，通過查詢發送/接收中斷標志位即可判斷是否發送完一個數據/接收到一個數據。發送/接收中斷標地不需要也不有用軟件復位。
在異步串行發送的過程中，只要TXREG寄存器為空，中斷標志TXIF就置位。因此，TXIF為1并不是發送完畢的標志，但仍可以用TXIF標志來判斷。因此當TXREG為空時，將數據送入后，數據會保留在TXREG寄存器中，直到前一個數據從發送移位寄存器中移出，即前一個數據發送完。
3IC卡
IC卡是集成電路卡（Integra
tedCircuitCard）的簡稱，有些國家和地址稱其為智能卡（SmartCard）、芯片卡（ChipCard）。國際標準化組織（ISO）在ISO7816標準中規定，IC卡是指在由聚氯乙烯（PVC）或聚氯乙烯酸脂（PVCA）材料制成的塑料卡內嵌入式處理器和存儲器等IC芯片的數據卡。近年來，由于導半體技術的進步，集成化程度和存儲器容量有了很大提高，并使CPU和存儲器集成在一個芯片上，從而提高了數據的安全性。
在本設計中，IC卡采用的是AT45DB041B-SC芯片，該芯片的特點如一下：
*單一的2.7V～3.6V電源；
*串行接口結構；
*頁面編程操作，單一的循環重復編程（擦除和編程，2048頁（每頁264字節）主存；
*兩個264字節的SRAM數據緩存，允許在重編程非易失性存儲器時接收數據；
*內置的編程和控制定時器；
*低功耗，4mA有源讀取電流，2μACMOS備用電流；
*15MHz的最大時鐘頻率；
*串行外圍接口方式（SPI）——模式0和3；
*CMOS的TTL兼容的輸入和輸出；
*5.0V可承受的輸入，SI、SCK、CS（低電平有效）、RESET（低電平有效）。
在本設計的調試過程中，曾測試過IC卡的輸入輸出電平，結果證明這種IC卡的輸入電平與TTL兼容，而輸出電平與TTL不兼容。
4IC卡的電源提供電路
在本設計中，由于IC卡的電源電壓范圍為+2.7～+3.6V，而PIC單片機需要的電源為+5V，而且穩壓源提供的電壓也是+5V，因此，要設計一個穩壓模塊，給IC卡提供+3V左右的電壓。設計電路如圖3所示。
該電路的主要元件為LM317芯片，它是三端可調集成穩壓器，輸出電壓為1.25～37V范圍內可調。當其Vin端的輸入電壓在2～40V范圍內變化時，電路均能正常工作，輸出端Vout和調整端ADJ間的電壓等于基準電壓1.25V。該芯片內的基電路的工作電流IREF很小，約為50μA，由一個恒流性很好的恒流源提供，所以它的大小不受供電電壓的影響，非常穩定。在圖3中，B點為電壓輸出端，為IC卡提供電壓。A點為控制端，與單片機的一個端口引腳相連，當該引腳為低電平時，三極管Q1不工作，B點輸出電壓約為3.15V；當該引腳為高電平時，三極管Q1工作，B點輸出電壓約為1.25V。在程序中查詢IC卡插座中是否有IC卡，當有IC卡時，將A點所連的單片機引腳設置為低電平，從而為IC卡提供電源；當沒有IC卡或對IC卡的操作結束時，將A點連的單片機引腳設置為高電平，從而不給IC卡提供電源。
IC卡的上電和下電程序如下。
IC卡上電子程序IC卡下電子程序
POWERONPOWEROOF
BSFSTATUS，RP0BSFSTATUS，RP0
BCFTRISE，0BCFTRISE，0
BCFRTISE，1BCFTRISE，1
BCFSTATUS，RP0BCFSTATUS，RP0
BCFPORTE，0BSFPORTE，0
BCFPORTE，1BSFPORTE，1
CALLDLYTIMCALLDLYTIM
RETURNRETURN
在本設計中，單片機與IC卡通信的主程序流程圖如圖4所示。
5與PC機的通信
在本設計中，有PIC單片機與PC機串行通信的功能。由于本設計所用的單片機PIC16F877有USART方式，該方式可將C口的RC5和RC7設置成異步串行通信模式，因而在本設計中，與PC機的通信模塊電路就比較簡單。將單片機C口的RC6和RC7設置為異步串行通信模式，經過MAX232A芯片進行電平轉換后，將TTL電平轉換為RS232電平，再與DB9接口相連，即可實現通信。在PC機端，可以用VC等編程工具根據通信協議編寫軟件來控制對IC卡的讀寫操作。
6結論
經過調試，本設計能夠在脫離在線仿真器的情況下，上電后獨立的運行程序，并能在PC機軟件的控制下，實現對IC卡中任意位置的讀寫，其中讀寫的起始地址、讀寫數據的個數以及數據內容可以在PC機端輸入或選擇。
本設計已在實際應用中測試過，具有實用價值。由于本設計中所使用的PIC單片機的程序存儲器較大（8KB），因而可以編寫較大的程序，實現多合一該卡器并由PC機控制讀寫哪種芯片的IC卡。另外，由于本設計所使用單片機的程序存儲器是Flash存儲器，因而可以方便地實現程序的下載和升級。
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